CN103424977A

CN103424977A - 一种偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统

Info

Publication number: CN103424977A
Application number: CN201210157350XA
Authority: CN
Inventors: 伍振弋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明提出一种新型偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，所述投影光学系统包含有光源（1）、准直匀光模块（2）、方形偏振分光棱镜（3）、六边L型棱镜（4）、偏振片（5、6）、反射式硅上液晶（7、8）、成像模块（9）。本发明采用双片偏振分光棱镜作为反射式硅上液晶投影系统光学引擎的核心分光元件，设计特殊棱镜结构，添加偏振片或偏振膜，光学对比度提高了200倍，避免单片分光棱镜无法添加光学件改善对比度的问题。

Description

一种偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统

技术领域

本发明涉及一种液晶投影系统，更具体的说，本发明涉及一种偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其利用特殊结构偏振棱镜对光束进行双束分离，提纯及合光，实现偏振光再利用投影显示。

背景技术

近年来，投影机逐渐由专业型应用向超大屏幕高分辨率工程投影和向微型化、高度集成化、便携式这两个方向发展，广泛的融入到生产，教学，影院，家庭各个领域中，成为主流的显示技术。而在反射式硅上液晶进一步发展的基础上，偏振式投影以其光输出量高，光学引擎小，投影分辨率高等特点，成为投影技术研究的热点。反射式硅上液晶投影系统有双光源式，双镜头式，单光源单镜头式等。双光源式在传统结构上加入了第二个光源，以及第二路反射硅上液晶控制系统，提高光能量，实现两幅画面同时输出，但是，实际装调存在两光源色温及亮度无法一致的技术难点。

双镜头式结构改善了双光源式结构的不足，同时也引入了画面重合的装调问题。单光源单镜头式可以使光路简洁，装调容易，结构更加紧凑，成本低，并且实现偏振光再利用，是三种方式中光利用率最高的。单光源单镜头式主要有单片偏振分光棱镜和多片偏振分光棱镜两种。单片偏振分光棱镜结构简洁，适合便携式小型投影机和手持式微型投影机，不足在于，光学引擎立体效果的实现主要依赖于偏振分光棱镜这一器件。

目前偏振分光棱镜的镀膜工艺限制了两幅投影画面对比度的一致性，因此该方式实现立体投影的效果不是很好。多片偏振分光棱镜式结构比前者复杂，可在该分光结构内部多处添加偏振片提高光学对比度，实现高清立体投影。由于引入了多个光学元件，光能量大大下降，能量利用率低于前者。

发明内容

针对现有技术中的技术缺陷，本发明提出了一种偏振分光棱镜反射式硅上液晶投影系统。

本发明通过以下技术方案来实现：

所述投影光学系统包含有光源（1）、准直匀光模块（2）、方形偏振分光棱镜（3）、六边L型棱镜（4）、偏振片（5、6）、反射式硅上液晶（7、8）、成像模块（9）；

所述准直匀光模块（2）位于光源（1）的出射光路上，所述方形偏振分光棱镜（3）位于准直匀光模块（2）之后的光路上，所述偏振片（5、6）位于方形偏振分光棱镜（3）的两侧出射光之后，所述六边L型棱镜（4）位于方形偏振分光棱镜（3）之后，所述反射式硅上液晶（7、8）位于六边L型棱镜（4）的第一次出射光之后，所述成像模块（9）位于六边L型棱镜（4）的二次出射光路之后；

所述光源（1）发出的光通过准直匀光模块（2）后，经由方形偏振分光棱镜（3）分束，经过偏振片（5、6）提高偏振光对比度后，进入六边L型棱镜（4），反射式硅上液晶（7、8）将六边L型棱镜（4）出射光二次反射进入该棱镜，实现光路调整及图像加载，两束偏振光由六边L型棱镜（4）合成单束光进入成像模块（9）后成像，输出到投影屏上。

本发明的另一方面，所述六边L型棱镜（4）包含有偏振膜（14、15、16），所述光源（1）发出的光通过准直匀光模块（2），经过方形偏振分光棱镜（3）分成振动方向互为90度的P、S偏振光（5、6），所述P、S偏振光（5、6）是部分偏振光，从方形偏振分光棱镜（3）透射面出射的部分偏振光经过P振动向P偏振片（5）后，得到纯度较高的P偏振光，从方形偏振分光棱镜（3）反射面出射的部分偏振光经过S振动向S偏振片（6）后，得到纯度较高的S偏振光，P、S偏振光（5、6）提高偏振光的对比度后，进入六边L型棱镜（4）；

其中，所述S偏振光（6）由棱镜偏振膜（14、15、16）反射到反射式硅上液晶（7）上，当反射式硅上液晶（7）在工作状态下，S光偏振态改变，成为P光，并反射后，第二次进入六边L型棱镜（4），所述P偏振光穿透六边L型棱镜（4），最后进入成像模块（9）；

所述P偏振光（5）由棱镜偏振膜（14、15、16）反射到反射式硅上液晶（8）上，当反射式硅上液晶（8）在工作状态下，P光偏振态改变，成为S光，并反射后，第二次进入六边L型棱镜（4），所述S光经过六边L型棱镜（4）两次反射，最后进入成像模块（9），其和第一束P光重合，实现双偏振态双图案输出立体投影显示。

本发明的另一方面，所述六边L型棱镜（4）包含有小三角棱镜（10、11）、大三角棱镜（12、13）和偏振膜（14、15、16）；所述六边L型棱镜（4）包含有小三角棱镜（10、11）、大三角棱镜（12、13）和偏振膜（14、15、16）为一整体。

本发明的另一方面，所述小三角棱镜（10、11）与大三角棱镜（12、13）胶合，其中，所述小三角棱镜（10、11）与大三角棱镜（12、13）之间胶合面镀偏振膜（14、15）；所述大三角棱镜（12、13）之间胶合面镀偏振膜（16）。

本发明的另一方面，所述方形偏振分光棱镜（3）两个垂直面出射光为振动方向垂直的两束偏振光，垂直出射面与偏振片（5、6）以及所述六边L型棱镜（4）的小三角棱镜（10、11）两侧面平行，两束偏振光分别从小三角棱镜（10、11）两侧面进入，分别经过偏振膜（14、15），然后分别以在膜层处发生透射和反射两种方式第一次从六边L型棱镜（4）出射，进入反射式硅上液晶（7、8），然后由反射式硅上液晶（7、8）反射偏振光束再次进入六边L型棱镜（4），分别以在膜层出发生透射和反射两种方式在偏振膜（16）处合光，从其中一个大三角棱镜（12、13）出射。

本发明的另一方面，所述方形偏振分光棱镜（3）和偏振片（5、6）为一整体构造，其中方形偏振分光棱镜（3）可为两片小三角棱镜组成。

本发明的另一方面，所述光源为可见波段光源，LED光源，或者激光光源。

本发明的另一方面，所述液晶投影系统包含有光源（1）、准直匀光模块（2）、分光合光及图像加载模组（17、18、19），合光棱镜（20）和成像模块（9），所述合光棱镜（20）在模组（17、18、19）之后，模组三个出光面对应于合光棱镜（20）三个入光面，所述成像模块（9）位于合光棱镜（20）出光面之后；

所述光源为R/G/B独立三色光源时，光束经过模组（17、18、19）后，模组中反射硅上液晶只控制单色，模组分时输出单色图像，三个模组同一时间输出同一图像的RGB三色图像，进入合光棱镜（20）合束，成像模块（9）成像，完成图像输出。

本发明的另一方面，所述光源（1）为R/G/B独立三色光源时，所述反射式硅上液晶（7、8）控制频率为180Hz，模组分时输出三组单色图像，经过合束成像，实现三组画立体投影，或六组画二维投影。

本发明的另一方面，所述光源（1）为R/G/B独立三色光源时，所述反射式硅上液晶（7、8）控制频率为240Hz，模组分时输出四组单色图像，经过合束成像，实现四组画立体投影，或八组画二维投影。

本发明的光路的调整和光束合光都是由单个棱镜完成。与高对比度多棱镜光路结构相比，两束光无需经过空气间隙或者是额外的出光入光面，避免额外的能量损失。光路中只有两片棱镜的装调，元件数量较小，因此棱镜模块的装调难度较小。

本发明的双偏振分光棱镜反射式硅上液晶投影系统中，为了解决传统单偏振分光棱镜由于镀膜工艺限制导致两画面对比度下降的问题，设计了互补的双偏振分光棱镜，预留两处结合面，添加单振动向偏振片，通过提高互为90度的两束偏振光的纯度，提高两画面的对比度。与传统多棱镜结构相比，减少了出光入光面，减小装调难度。

为了进一步提高光利用率，上述一种新型单偏振分光棱镜反射式硅上液晶投影系统采用的是新型单偏振分光棱镜，该棱镜由四个小三角棱镜，两个大三角棱镜组成，于双偏振分光棱镜相比，去掉两个单振动向偏振片，即双偏振分光棱镜中，方型棱镜与六边L型棱镜的结合面分别镀上振动向互为90度的偏振膜成，采用胶粘合方式，将双偏振分光棱镜结构改进为一整体棱镜；相较于双偏振分光棱镜结构，新型单偏振分光棱镜进一步减少透光面，避免单振动向偏振片对光利用率的影响；并且，单棱镜的装调比双棱镜装调难度更低。

根据所述新型偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，一种多组画新型偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统包含有光源、准直匀光、基于上述新型棱镜的分光合光及图像加载模组，合光棱镜和成像模块。所述合光棱镜在模组之后，模组三个出光面对应于合光棱镜三个入光面，所述成像模块位于合光棱镜出光面之后。

所述光源分为三个光路，第一个光路为红色波段可见光，根据不同的亮度要求可采用LED光源或者激光光源，红色可见光经过匀光系统后进入上述新型偏振分光棱镜；新型分光棱镜将红色可见光分为振动方向互为垂直的两束偏振光，经过振动方向相同的偏振片或者偏振膜提纯后，经过后续棱镜的光路调整，进入频率为180Hz的单色反射硅上液晶；每幅图像信号为60Hz，180Hz液晶调制频率可对应三幅图像信号的输入；两片反射硅上液晶同时工作，可实现六幅图像的信号输出，或者对应三幅左眼图像和三幅右眼图像，三组立体单色信号的输出；输出信号进入合光棱镜之后由上述成像模块输入六幅二维图像或者三组立体单色图像。

同理，第二、第三个光路为绿色、蓝色波段可见光，依照上述红色波段可见光的方式经过准直匀光模块，新型偏振分光棱镜以及双硅上液晶芯片后，完成六幅二维图像或者三组立体单色图像的信号加载，进入合光棱镜；合光棱镜将从三个方向进入的三色光图像合成彩色图像，完成彩色六幅二维图像或者三组立体单色图像的投影。

本发明的反射硅上液晶控制频率为240Hz，单个反射液晶上加载四幅图像信号，每幅图像信号仍为模组分时输出四组单色图像，经过合束成像，实现四组画立体投影，或八组画二维投影；以此类推，具有更高频液晶控制的反射式硅上液晶可实现更多组投影画面。

本发明的有益效果为：本发明采用双片偏振分光棱镜作为反射式硅上液晶投影系统光学引擎的核心分光元件，设计特殊棱镜结构，添加偏振片或偏振膜，光学对比度提高了200倍，避免单片分光棱镜无法添加光学件改善对比度的问题；对称式新型分光棱镜结构，保证光路对称，结构简洁；光路中双棱镜组结构保证偏振光进入棱镜组之后，只需经过一个出光面，一个偏振片以及一个入光面，为提高对比度专门设计了的出光入光位置，无需额外经过无效出、入光面，空气间隙等，解决棱镜增加后光能量下降的问题，将光能利用率提高了40%；在单片棱镜后只添加一个新型分光棱镜就可以完成光路调整，合光功能，降低了多棱镜结构的装调难度。单片偏振分光棱镜作为反射式硅上液晶投影系统光学引擎的核心分光元件，进一步改善棱镜结构，采用镀膜方式替代偏振片元件，限定了偏振光提纯方式，在整个棱镜结构中，无出/入光面，采用单特殊棱镜结构完成分光，提纯及合光功能，进一步将光利用率提高了20%，装调难度降低了50%。从根本上解决光路中对比度不一致问题。

附图说明

图1为新型偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统光路图；

图2为上述反射硅上液晶投影系统中新型偏振分光棱镜的结构图；

图3为平面结构新型偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统同时多组画面显示原理；

图4为立式结构新型偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统同时多组画面显示原理。

图中1光源；2准直匀光模块；3方形偏振分光棱镜；4六边L型棱镜；5、 6偏振片；7、8反射式硅上液晶；9成像模块；10、11小三角棱镜；12、13大三角棱镜；14、15、16偏振膜；17、18、19光源、准直匀光、分光合光及图像加载模组；20合光棱镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

参见图1，新型双偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统光路包含有光源1，准直匀光模块2，方形偏振分光棱镜3，六边L型棱镜4， P振动向偏振片5， S振动向偏振片6，反射式硅上液晶7、8和成像模块9；所述准直匀光模块2位于光源1的出射光路上，所述方形偏振分光棱镜3位于准直匀光模块2之后的光路上，所述P振动向偏振片5在方形偏振分光棱镜3的透射出射面后，所述S振动向偏振片6在方形偏振分光棱镜3的反射出射面后，所述六边L型棱镜4位于方形偏振分光棱镜3之后，所述反射式硅上液晶7、8位于六边L型棱镜4的第一次出射光之后，成像模块9位于六边L型棱镜4的二次出射光路之后。

新型双偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统光路通过如下方式实现：光源1发出的可见光通过准直匀光模块2，经过方形偏振分光棱镜3分成振动方向互为90度的P、S偏振光。由于偏振分光棱镜镀膜工艺限制，两束偏振光是部分偏振光，而不是纯P光或者纯S光。从偏振分光棱镜3透射面出射的部分偏振光经过P振动向偏振片5后，得到纯度较高的P偏振光，从偏振分光棱镜3反射面出射的部分偏振光经过S振动向偏振片6后，得到纯度较高的S偏振光，偏振片5、6提高偏振光的对比度后，进入六边L型棱镜4。其中，S光由棱镜偏振膜反射到反射式硅上液晶7上。当反射式硅上液晶7在工作状态下，S光偏振态改变，成为P光，并反射后，第二次进入六边L型棱镜4，P光穿透六边L型棱镜4，最后进入成像模块9。另一方面，P光由棱镜偏振膜反射到反射式硅上液晶8上。当反射式硅上液晶8在工作状态下，P光偏振态改变，成为S光，并反射后，第二次进入六边L型棱镜4，S光经过六边L型棱镜4两次反射，最后进入成像模块9，和第一束P光重合，实现双偏振态双图案输出，立体投影显示。

上述新型双偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统中双偏振分光棱镜的结构图如图2所示，该棱镜包含有双棱镜组，方形偏振分光棱镜3、六边L型棱镜4；以及P振动向偏振片5， S振动向偏振片6；其中，六边L型棱镜4又包含有小三角棱镜10、11，大三角棱镜12、13和偏振分光膜14、15、16；可见光分束为P、S光之后，经过P振动向偏振片5， S振动向偏振片6分别进入六边L型棱镜4，其间，S光经过偏振分光膜14反射与透射，偏振分光膜16的透射；P光分别经过偏振分光膜15反射与透射，偏振分光膜16的反射。

上述新型偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统同时多组画面显示原理如图3、4所示，新型偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统包含有光源、准直匀光、分光合光及图像加载模组17、18、19，合光棱镜20和成像模块9。实施方式，光源为RGB三色光源，每个模组17、18、19对应一个单色光源，结合180Hz的单色反射硅上液晶时序控制，实现单色三幅图像时分输出。三个模组对应三色光束分别入射到合光棱镜20三个侧面，通过合光棱镜20实现3色合成，三组60Hz画面立体显示。同上，使用240Hz或更高频的单色反射硅上液晶进行时序控制，可实现四组及更多60Hz画面立体显示。

以上采用实施例对本发明进行了描述。那些只有在本领域的技术人员阅读了本公开文件之后才变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的精神和范畴。

Claims

1.一种偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其特征在于，所述投影光学系统包含有光源（1）、准直匀光模块（2）、方形偏振分光棱镜（3）、六边L型棱镜（4）、偏振片（5、6）、反射式硅上液晶（7、8）、成像模块（9）；

2.根据权利要求1所述的一种偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其特征在于，所述六边L型棱镜（4）包含有偏振膜（14、15、16），所述光源（1）发出的光通过准直匀光模块（2），经过方形偏振分光棱镜（3）分成振动方向互为90度的P、S偏振光（5、6），所述P、S偏振光（5、6）是部分偏振光，从方形偏振分光棱镜（3）透射面出射的部分偏振光经过P振动向P偏振片（5）后，得到纯度较高的P偏振光，从方形偏振分光棱镜（3）反射面出射的部分偏振光经过S振动向S偏振片（6）后，得到纯度较高的S偏振光，P、S偏振光（5、6）提高偏振光的对比度后，进入六边L型棱镜（4）；

3.根据权利要求1所述的一种偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其特征在于，所述六边L型棱镜（4）包含有小三角棱镜（10、11）、大三角棱镜（12、13）和偏振膜（14、15、16）；所述六边L型棱镜（4）包含有小三角棱镜（10、11）、大三角棱镜（12、13）和偏振膜（14、15、16）为一整体。

4.根据权利要求3所述偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其特征在于，所述小三角棱镜（10、11）与大三角棱镜（12、13）胶合，其中，所述小三角棱镜（10、11）与大三角棱镜（12、13）之间胶合面镀偏振膜（14、15）；所述大三角棱镜（12、13）之间胶合面镀偏振膜（16）。

5.根据权利要求4所述偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其特征在于，所述方形偏振分光棱镜（3）两个垂直面出射光为振动方向垂直的两束偏振光，垂直出射面与偏振片（5、6）以及所述六边L型棱镜（4）的小三角棱镜（10、11）两侧面平行，两束偏振光分别从小三角棱镜（10、11）两侧面进入，分别经过偏振膜（14、15），然后分别以在膜层处发生透射和反射两种方式第一次从六边L型棱镜（4）出射，进入反射式硅上液晶（7、8），然后由反射式硅上液晶（7、8）反射偏振光束再次进入六边L型棱镜（4），分别以在膜层出发生透射和反射两种方式在偏振膜（16）处合光，从其中一个大三角棱镜（12、13）出射。

6.根据权利要求1所述偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其特征在于，所述方形偏振分光棱镜（3）和偏振片（5、6）为一整体构造，其中方形偏振分光棱镜（3）可为两片小三角棱镜组成。

7.根据权利要求1所述偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其特征在于，所述光源为可见波段光源，LED光源，或者激光光源。

8.一种多组画偏振分光棱镜反射硅上液晶投影光学系统，其特征在于，所述液晶投影系统包含有光源（1）、准直匀光模块（2）、分光合光及图像加载模组（17、18、19），合光棱镜（20）和成像模块（9），所述合光棱镜（20）在模组（17、18、19）之后，模组三个出光面对应于合光棱镜（20）三个入光面，所述成像模块（9）位于合光棱镜（20）出光面之后；

9.根据权利要求8所述多组画偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统，其特征在于，所述光源（1）为R/G/B独立三色光源时，所述反射式硅上液晶（7、8）控制频率为180Hz，模组分时输出三组单色图像，经过合束成像，实现三组画立体投影，或六组画二维投影。

10.根据权利要求8所述多组画偏振分光棱镜反射硅上液晶投影系统，其特征在于，所述光源（1）为R/G/B独立三色光源时，所述反射式硅上液晶（7、8）控制频率为240Hz，模组分时输出四组单色图像，经过合束成像，实现四组画立体投影，或八组画二维投影。